Produccin de cido sulfrico

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Producción deácido sulfúrico

• Química de los procesos industriales
• 2006

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Importancia del ácido sulfúrico

• Es el producto químico de mayor producción a
  escala mundial
• Producción anual mundial
• 150 MTon
• Es una medida del potencial químico-industrial de
  un país
• Ácido fuerte, fijo, de bajo precio
• Se utiliza principalmente en la industria química
  como reactivo en diferentes procesos

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Propiedades
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Propiedades químicas

• Ácido
• H2SO4(ac) ? HSO4-(ac) ? SO42-(ac)
• Oxidante
• Cu H2SO4 ? CuSO4 SO2 H2O
• Deshidratante
• C11H22O11(s) H2SO4(l) ? C(s) H2O H2SO4(ac)
• Sulfonante
• CH3C6H5(l) H2SO4(l) ? CH3C6H4SO3H H2O

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Usos
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Productos comerciales

• Concentración
• Ácido de baterías 33.5
• Ácido para fertilizantes 62.2
• Ácido de Glover 77.7
• Reactivo 98
• Pureza
• Técnico (fertilizantes, metalurgia)
• Puro (baterías, productos orgánicos)

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Esquema de fabricación

• Obtención de SO2(g), a partir de
• Azufre
• Sulfuros de metalurgias no-ferrosas
• Ácido sulfhídrico (gas natural y petróleo)
• Reciclaje de ácido sulfúrico
• Oxidación SO2(g) ? SO3(g)
• Método de las cámaras de plomo
• Método de contacto
• Absorción de SO3(g) por agua

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Azufre

• Estado natural
• Elemental (4)
• Depósitos sedimentarios y volcánicos
• Combinado
• Sulfuros metálicos (4)
• Combustibles fósiles (87)
• Gas natural (5)
• Sulfatos (yeso)

• Propiedades
• Sólido amarillo pálido, con varias formas
  alotrópicas
• Temperatura de fusión 112-114ºC
• Viscosidad alta a temperaturas menores de 160ºC
• Abundancia en corteza
• 0.05

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Proceso Frasch (1900)

• Se extrae azufre elemental de depósitos
  subterráneos
• Profundidad 50-80m
• Azufre mezclado con minerales
• Tres tuberías concéntricas
• Inyección de agua sobrecalentada a 165ºC
  (central)
• Inyección de aire comprimido caliente (externa)
• Ascensión de azufre líquido espumado (intermedia)

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Extracción por método Frasch

• En la actualidad, la extracción de azufre
  elemental representa sólo el 13 de la producción
• En 1973, representaba el 73

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Proceso Claus

• Materia prima
• H2S (gas natural, depuración de gases residuales
  de utilización o procesamiento de combustibles
  fósiles)
• Alto rendimiento (96-98) y elevada pureza del
  azufre obtenido
• Por regulaciones ambientales, en la actualidad
  representa aproximadamente el 50 del azufre
  producido

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Proceso en dos etapas

• Etapa térmica
• H2S es oxidado por aire (combustión)
• Horno a alta temperatura
• Se forma SO2 como producto principal, quedando
  H2S sin reaccionar y produciéndose algo de azufre
• Etapa catalítica
• H2S reacciona con SO2 para formar azufre
• Bajas temperaturas
• Catalizador bauxita

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Reacciones
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Esquema de producción
Reacción total 3H2S 3/2O2 ? 3S 3H2O ?Hº
-664 kJ
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Aprovechamiento de minerales piríticos
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Producción de SO2 por tostación

• Minerales piríticos

• La pirita (FeS2) pulverizada se quema en
  presencia de aire a temperaturas cercanas a 1000
  ºC y se produce SO2 y óxidos de hierro
• El SO2 producido se encuentra contaminado con
  polvo, humedad. El gas debe ser sometido a varias
  etapas de purificación antes de alimentarlo a
  oxidación catalítica.

• FeS2 Pirita
• ZnS Esfalerita o blenda
• CuFeS2 Calcopirita
• FeS Pirrotita
• FeZnS2 Esfalerita
• PbS Galena
• HgS Cinabrio
• Cu2S Calcosina
• CuS Covellita
• Cu3FeS3 Bornita
• AsFeS Mispiquel

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Hornos de tostación

• Reacciones
• 2FeS2 11/2O2 ? Fe2O3 4SO2
• 411.1 Kcal
• 3FeS2 8O2 ?
• Fe3O4 6SO2
• 585.8 Kcal
• Dos objetivos
• Obtener gas y cenizas
• Recuperar el calor generado

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Método de las cámaras de plomo
Catálisis Homogénea por NO2
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Proceso

• Cámaras
• Oxidación de H2SO3 a H2SO4
• Torre de Gay-Lussac
• Absorción de óxidos de nitrógeno provenientes de
  las cámaras
• Torre de Glover
• Enfriamiento de gases
• Concentración de ácido de cámaras
• Desnitración de ácido proveniente de torre
  Gay-Lussac

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Reacciones químicas

• Cámaras
• SO2 H2O ? H2SO3
• H2SO3 NO2 ? H2SO4NO
• H2SO4NO ? H2SO4 NO
• NO ½ O2 ? NO2
• SO2 ½ O2 H2O ? H2SO4
• Torre de Glover
• NOHSO4 HNO3 ? H2SO4 2NO2
• 2 NOHSO4 H2O ? 2H2SO4 NO NO2
• Torre de Gay-Lussac
• (N2O3, N2O4) H2SO4 ? NOHSO4 HNO3 H2O

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Método de contacto

• Es el utilizado actualmente
• Produce ácido 98-99
• Oxidación de SO2 a SO3 en reacción catalítica
  heterogénea, con V2O5 como catalizador
• Tres etapas
• Depuración de gases de entrada
• Reacción catalítica
• Absorción de SO3

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Depuración de gases

• Especialmente necesaria cuando el SO2 proviene de
  tostación de piritas
• Impurezas a eliminar
• Polvo
• As2O3
• Haluros
• Agua
• Al entrar al convertidor, el SO2 tiene
  concentración de 10-12 y temperatura 420ºC

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Reacciones

• Reacciones químicas
• S O2 ? SO2
• SO2 ½O2 ? SO3
• SO3 H2O ? H2SO4
• S 3/2O2 H2O ? H2SO4
• Reacciones catalíticas
• SO42- SO3 ? S2O72-
• 2V5 O2- SO2 ? SO3 2V4
• 2V4 ½O2 ? 2V5 O2-
• SO2 ½O2 ? SO3

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Esquema del proceso
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Convertidor

• Reacción
• SO2(g) ½O2(g) ? SO3(g) ?Hº -95.5 kJ/mol
• Constante de equilibrio
• kP pSO3/ pSO2pO20.5
• Conversión
• presión
• temperatura
• velocidad

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Operación del convertidor (I)
Enfriamiento entre etapas
Catalizador V2O5 sobre zeolitas
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Operación del convertidor (II)
SO2 410-430ºC
Conversión 60-65 T 615-635 ºC
1
Conversión 85-90 T 520 ºC
Int.
2
Conversión 60-65 T 435-450 ºC
Int.
3 (93)
4 (99.5)
Conversión 85-90 T 435-455 ºC
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Doble contacto
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Absorción de SO3

• Reacción
• SO3(g) H2O(l) ? H2SO4(l)
• ?Hº -89 kJ/mol
• La reacción directa no se utiliza, porque el
  fuerte desprendimiento de calor lleva a
  ebullición la solución
• El SO3 se absorbe en ácido sulfúrico 98
• En exceso de SO3, puede formarse H2SO4SO3 (óleum
  20)

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Absorbedores
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Aspectos ambientales

• Las emisiones de SO2(g), SO3(g) y vapor de H2SO4
  representan los principales riesgos ambientales
• En todos los casos, pueden contribuir a la lluvia
  ácida
• Se toma como referencia de contaminación la
  cantidad de SO2/SO3 liberado a la atmósfera, por
  unidad de producción de ácido sulfúrico
• En escala global, las plantas de producción de
  ácido sulfúrico no representan la contribución
  principal a la lluvia ácida
• Las plantas de generación de energía eléctrica
  que utilizan combustibles fósiles son la fuente
  principal